왜 휴대전화 배터리는 추운 곳에서 빨리 닳을까?

1.1 리튬 이온 배터리의 작동 원리와 온도

스마트폰에 주로 사용되는 배터리는 리튬 이온(Lithium-ion) 이차 전지다.^{[1]리튬 이온 이차 전지를 최초로 상용화하여 현대 휴대용 IT 기기 혁명을 이끈 아키라 요시노, 존 구디너프, 스탠리 휘팅엄 교수 등 3인은 그 공로를 인정받아 2019년 노벨 화학상을 공동 수상하였다.} 이 배터리는 충전 시 리튬 이온이 음극으로 이동하고, 방전(사용) 시에는 양극으로 이동하면서 전기를 발생시키는 구조를 가지고 있다. 이때 이온들이 오가는 통로 역할을 하는 것이 전해질이다.

문제는 이 전해질이 액체 또는 겔(Gel) 상태라는 점이다. 물이 추우면 얼듯, 전해질 역시 온도가 내려가면 둔해진다. 결과적으로 온도가 낮아질수록 리튬 이온이 이동하는 속도가 현저히 느려지게 되며, 이는 곧 배터리의 성능 저하로 직결된다.

1.2 배터리 방전의 진짜 원인: 내부 저항과 전압 강하

추운 곳에서 배터리 용량 자체가 실제로 증발해 버리는 것은 아니다. 핵심은 온도가 떨어지면서 배터리 내부의 '저항'이 커진다는 데 있다. 내부 저항이 증가하면 배터리가 출력을 낼 때 손실되는 전력이 많아지고, 배터리의 단자 전압이 급격히 떨어진다.

스마트폰 내부의 회로는 배터리의 '잔여 용량'을 직접 측정하는 것이 아니라 '출력 전압'을 기준 삼아 잔량을 추정한다. 온도가 낮아져 전압이 순간적으로 뚝 떨어지면, 스마트폰의 전력 관리 시스템(BMS)은 실제 에너지 잔량과 상관없이 배터리가 다 닳았다고 오인하게 된다. 기기의 과방전 및 손상을 막기 위해 전원을 강제로 차단해 버리는 것도 바로 이 때문이다. 분명히 방금 전까지 30%였던 배터리가 순식간에 1%가 되거나 꺼져버리는 현상의 전말이다.

1.3 방전 현상의 일시성과 온도의 영향

다행히도 이 현상은 배터리가 영구적으로 손상된 것을 의미하지는 않는다. 추위로 인해 기능이 정지된 스마트폰을 따뜻한 실내로 가져와 체온이나 난방 기구 등으로 온도를 올려주면, 둔해졌던 전해질이 다시 활성화되면서 전압이 정상 수준으로 회복된다. 이에 따라 전원을 켜면 원래 남아있던 잔량이 다시 표시되는 것을 볼 수 있다.

하지만 저온 환경에서의 지속적인 사용은 배터리 수명에 악영향을 미칠 수 있다. 낮은 온도에서 강제로 충전을 시도할 경우, 리튬 이온이 음극 표면에 전착되는 '리튬 덴드라이트' 현상이 발생해 배터리 용량이 영구적으로 감소하거나 내부 단락을 유발할 위험이 있다.^{[2]리튬 덴드라이트는 배터리 음극 표면에 리튬 결정이 나뭇가지 형태로 뾰족하게 자라나는 현상이다. 이 결정이 분리막을 뚫고 양극에 닿으면 내부 단락이 일어나 화재나 폭발 사고로 이어지게 된다.}

1.4 저온 환경에서의 대처 방안

겨울철 야외 활동 시 배터리 소모를 줄이기 위해서는 기기 자체의 온도를 유지하는 것이 가장 중요하다. 스마트폰을 외투 안주머니 등 체온이 전달되는 곳에 보관하는 것이 좋다. 두꺼운 케이스를 착용시키는 것도 기기의 열 손실을 막는 데 어느 정도 도움이 된다.

만약 추위로 인해 기기가 갑자기 꺼졌다면 억지로 전원을 켜거나 보조배터리로 즉시 충전을 시도하지 않는 것이 좋다. 기기를 따뜻한 곳으로 이동시켜 내부 온도가 충분히 올라간 후에 전원을 켜거나 충전 케이블을 연결하는 것이 배터리 수명을 지키는 바람직한 방법이다.

2.1 배터리 전력의 '진짜' 증발 여부와 가짜 방전 현상

추운 날씨에 배터리 잔량이 급격히 떨어지거나 전원이 꺼지는 현상은 실제로 전력 에너지 자체가 사라진 것이 아니다. 리튬 이온 배터리의 내부 저항 증가로 인해 기기가 배터리의 전압을 제대로 측정하지 못하는 일종의 착시 현상이다. 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하며 전기를 발생시켜야 하는데, 저온에서는 전해질이 굳어져 이 이동 속도가 치명적으로 느려진다. 이로 인해 출력이 급감하면서 스마트폰의 전력 관리 IC(PMIC)가 배터리 잔량을 실제보다 훨씬 낮게 인식하거나, 기기 보호를 위해 스스로 전원을 차단하는 것이다. 따뜻한 실내로 들어와 배터리 온도가 회복되면 전압이 다시 정상으로 돌아오면서 줄어들었던 잔량이 복구되는 기이한 현상을 볼 수 있다.

2.2 스마트폰의 고열 자가 진단 및 서멀 쓰로틀링의 역설

최근 출시되는 프리미엄 스마트폰에는 저온 환경에서 스스로를 보호하기 위한 고성능 알고리즘이 탑재되어 있다. 일부 기기는 배터리 온도가 극도로 낮아지면 성능을 강제로 제한하는 쓰로틀링(Throttling)을 걸거나, 심지어 고의로 CPU 가동률을 올려 내부 열을 발생시키는 방식을 취하기도 한다. 즉, 스마트폰이 추위를 느끼고 스스로 체온을 올리기 위해 전력을 더 많이 소비하는 역설적인 상황이 발생하며, 이는 사용자로 하여금 배터리가 배로 빨리 닳는 것처럼 느끼게 만든다.

2.3 인간의 체온을 이용한 급급 응급 처치법

겨울철 산행이나 야외 활동 중 배터리가 방전되어 폰이 꺼졌을 때 가장 빠른 부활 방법은 '인간의 체온'을 이용하는 것이다. 보조배터리가 없다면 전원이 꺼진 스마트폰을 옷 안쪽의 겨드랑이나 사타구니, 혹은 주머니 속 핫팩 옆에 약 5~10분간 넣어서 덥히면 된다.^{[3]야외에서 휴대폰이 추위로 꺼졌을 때 핫팩 위에 폰을 직접 올려두는 경우가 많으나, 과도한 열이 전달되면 배터리 폭발이나 기기 고장의 원인이 될 수 있으므로 옷감 등으로 감싸 온도를 천천히 올리는 것이 바람직하다.} 굳었던 전해질이 다시 활성화되면서 별도의 충전 없이도 전원이 다시 켜지며, 긴급 통화 정도는 가능한 수준의 잔량이 회복된다. 에베레스트 등반가들이나 극지 탐험가들은 촬영 직전에만 폰을 품 속에서 꺼내는 방식을 사용하는 것이 일종의 불문율이다.

2.4 전기자동차 배터리 프리히팅(Pre-heating) 시스템의 등장

휴대전화와 동일한 리튬 이온 배터리를 사용하는 전기자동차 역시 겨울철 주행 거리가 최대 30% 이상 급감하는 치명적인 단점을 공유한다.^{[4]대한민국 환경부 복합연비 인증 기준에 따르면, 겨울철(영하 7도 기준) 전기차의 주행거리는 상온(영상 20도 기준) 대비 평균 20~30%가량 감소하는 것으로 나타난다.} 이를 해결하기 위해 최신 전기차에는 '배터리 컨디셔닝' 또는 '프리히팅'이라 불리는 기술이 적용되어 있다. 급속 충전소로 이동하는 동안 차량이 스스로 배터리에 열을 가해 최적의 화학 반응 온도(약 20~25°C)를 미리 맞추는 기능이다. 스마트폰 케이스 중에서도 이러한 원리를 이용해 겨울철 배터리 절전을 돕는 발열 케이스나 단열 케이스가 출시되기도 했다.

2.5 리튬 이온의 한계와 차세대 전고체 배터리

현재 상용화된 리튬 이온 배터리는 액체 전해질을 사용하기 때문에 물리적으로 온도의 영향을 받을 수밖에 없는 구조적 한계를 지닌다. 전문가들은 추위로 인한 배터리 성능 저하를 완벽히 해결할 유일한 열쇠로 '전고체 배터리(Solid-State Battery)'를 꼽는다. 전해질이 고체로 이루어진 이 차세대 배터리는 영하 20도 이하의 극저온에서도 전해질이 굳지 않아 전력 손실이 거의 발생하지 않는다. 차세대 배터리가 스마트폰에 대중화되면 겨울철 배터리 조기 방전이라는 단어 자체가 역사 속으로 사라질 전망이다.